| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Nová technologie kamerových systémů na obzoru!
Jakub Jirsa
Jestli jste si někdy četli specifikaci svého telefonu nebo fotoaparátu, určitě jste narazili na zkratky CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) a CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá.. V současné době se jedná o dvě nejpoužívanější technologie pro snímání obrazové informace (fotografie či videa). Jak CCD, tak CMOS jsou zkratky pocházející z angličtiny: CCD znamená Charge-Coupled Device a CMOS je zkratka z Complementary Metal Oxide Semiconductor. Jelikož se technologie CMOS snadněji integruje, dostává se nyní do popředí a můžeme ji nalézt ve většině spotřební elektroniky. Například společnost SONY plánuje ukončit výrobu klasických CCD čipů v roce 2025. V tomto bulletinu bychom Vám rádi představili novou technologii CMOS čipů s grafenovouGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. vrstvou, která umožňuje detekci od ultrafialového záření až po střední infračervené vlny. Je tedy možné, že se s touto technologií brzy setkáme i v našich telefonech. Než se na ni podíváme blíže, představíme si nejprve klasickou CMOS technologii pro snímání obrazu.
Jiným směrem se ubírají čipy pro kosmickou techniku. Na snímku je zobrazovací čip kombinující CCD i CMOS technologie. Byl vyvinut pro francouzskou kosmickou agenturu CNESCNES – Centre National d’Etudes Spatiales, národní francouzská vesmírná agentura, která má za cíl formovat francouzskou vesmírnou politiku. Založena byla v roce 1961. Zaměstnává 2 400 zaměstnanců z toho je 1 800 inženýrů a vedoucích pracovníků (35 % z tohoto počtu jsou ženy).. Čip bude základem kamer pro dálkové snímkováni Země. Jádrem je CCD citlivé na světlo a načítací elektronika kolem je vyrobena technologií CMOS. Čip využívá z obou technologií to nejlepší. Zdroj: IMEC.
|
CCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) CMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. |
Technologie CMOS v kamerových systémech
Kamerový systém se skládá z optické soustavy (soustava čoček), světlocitlivého senzoru (například CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá.) a vyhodnocovací elektroniky, která signál ze senzoru zesílí, a tím umožní s obrázkem dále pracovat, například ho uložit v oblíbeném formátu JPEG. Za vším ale stojí senzor, který je srdcem každého fotoaparátu. Senzor se skládá z pole pixelůPixel – (z angl. picture element) – v záznamové technice nejmenší jednotka měřící intenzitu dopadajícího světla, v zobrazovací technice jeden obrazovkový bod. – světlocitlivých elementů, které mění dopadající světlo na elektrický signál. V dnešní době se tak můžeme setkat se zkratkami například 10 Mpx (označení pro deset milionů pixelů), což odpovídá rozlišení 3 872×2 592 px. Neznamená to nic jiného, než že senzor obsahuje 3872 světlociltivých elementů na šířku a 2592 na výšku. Celkem tedy 3 872×2 592 = 10 036 224 pixelů.
Nalevo: CMOS obrazový senzor společnosti Leica s rozlišením 25 megapixelů. Zdroj: Leica M. Napravo: Samoostřící kamerový systém pro mobily Android a Apple. Čočka má hmotnost 3,5 mg, celý systém 45 mg. Zdroj: Mechatronics Inspiration.
Senzory CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. pracují v celé řadě zapojení. Pro jednoduchost si princip vysvětlíme na aktivním třítranzistorovém zapojení. Na následujícím obrázku vlevo můžeme vidět, jak vypadá zapojení jednotlivých pixelů do matice. Vyčítání pixelů probíhá postupně pixel po pixelu. Je tedy nutné mít k dispozici systém identifikace pixelů. K tomu slouží řádkový a sloupcový dekodér, které nám umožňují přímý přístup. Obraz zachycený senzorem se tak postupně vyčítá ze senzoru a následně se zpracovává v příslušných obvodech. Vše se děje velice rychle: pro představu vyčtení probíhá s frekvencí jednotek až stovek megahertzů, což odpovídá době jednotek mikrosekund až desítek nanosekund na pixel. Jeden pixel se realizuje nejčastěji několika tranzistory a fotodiodou, která mění světelný signál na elektrický. Na obrázku vpravo si můžeme všimnout čtyř prvků: světlocitlivé diody a tří tranzistorů. Dopadající záření generuje na diodě náboj, který jsme schopni změřit, a tak určit, jak moc byl daný pixel osvětlen. Dále následuje tranzistor T2, který má pouze jediný úkol, a to zesílit signál z diody. Tranzistor T3 slouží k identifikaci pixelu. Jestliže je řádkový signál aktivní, je možné detekovat proud na sloupcovém výběru a vyčíst informaci jednoho pixelu. Před zachycením další fotografie je nutné všechny pixely uvést do původního stavu, tedy vynulovat signál na diodách. K tomu slouží tranzistor T1, který resetuje daný pixel.
Nalevo: Matice pixelů tvořící obrazový senzor. Napravo:
Elektronické
zapojení jednoho pixelu. Zdroj: ISDI.
Grafen-CMOS technologie
Jednou z nevýhod CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. senzorů je, že jsou citlivé hlavně ve viditelné oblasti spektra, což je dáno jejich strukturou. Proto se mnoho vědců snaží modifikovat strukturu těchto snímačů tak, aby byly citlivější na ultrafialové a infračervené záření. Modifikace struktury CMOS se povedla vědcům v Barceloně, kteří využili grafenovéGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. vrstvy a technologie kvantových tečekKvantová tečka – quantum dot, ohraničená oblast polovodiče o průměru jednotek až desítek nanometrů a výšce do deseti nanometrů, která je schopná vázat elektrony v důsledku nižší energie vodivostního pásu ve srovnání s okolním polovodičem. Tyto elektrony mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie. Jde vlastně o uměle vytvořenou kvantovou potenciálovou jámu modifikovatelné hloubky. Například v GaAs se dno vodivostního pásu nachází na nižší energetické hladině než dno vodivostního pásu AlGaAs. Obklopíme-li mikroskopický kousek GaAs (o velikosti několika nm) materiálem AlGaAs, vodivostní elektron uvnitř GaAs bude uvězněn v trojrozměrné potenciálové jámě, jejíž parametry se dají přesně nastavit při výrobním procesu. Kvantové tečky se využívají ve speciálních součástkách, které jsou schopny pracovat s jednotlivými elektrony či fotony. pro výrobu nového snímače založeného na CMOS struktuře. Vědci využili již známých vyhodnocovacích obvodů z CMOS snímačů a namísto světlocitlivé diody použili technologii kvantových teček, které nanesli na tenkou vrstvu grafenu, jenž zde plnil roli měřícího média. Záření dopadající na kvantové tečky je absorbováno a následuje přenos světlem vytvořených děr nebo elektronů do grafenové vrstvy, čímž dojde ke změně elektrického odporu grafenu. Po připojení napájecího napětí jsme schopni měřit odpor grafenu, a tím určit, jak moc byl daný pixel osvětlen. Navíc, modifikací tloušťky kvantových teček lze ovlivnit to, při jakých vlnových délkách je citlivost takto vyrobeného senzoru maximální. Konstrukčně je možné měnit maximální citlivost senzoru od 200 nm do 2 000 nm, tedy od vzdálené ultrafialové až po vzdálenou infračervenou oblast, což by mělo zásadním způsobem rozšířit možnosti využití CMOS senzorů.
Nalevo: Realizace grafenového CMOS senzoru. Napravo:
Struktura
jednoho pixelu. Zdroj: Nature Photonics.
Závěr
Vědci na celém světě se snaží rozšířit využití CMOS senzorů, jejichž integrace je již detailně propracovaná. Technologie grafenové vrstvy je nepochybně jednou ze zajímavých cest, a proto doufejme, že se barcelonské skupině vědců podaří laboratorní pokusy dovést do takového stádia, abychom se s touto technologií již brzo setkali jak ve vědeckých přístrojích nové generace, tak i v běžně dostupných zařízeních, například v mobilech. Pořizování ultrafialových nebo infračervených fotografií chytrým telefonem by se dozajista stalo dalším šlágrem mobilních technologií.
Odkazy
- Stijn Goossens et al.: Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration; Nature Photonics 11, 366–371 (2017)
- Tim Wogan: Camera combines graphene and quantum dots; Physics World, 31 May 2017
- Basler News: Trendy – CMOS Sensors Are the Technology of the Future for Industrial Cameras; 2017
- IMEC: Image sensors for high performance applications; PhysOrg, 25 Nov 2013
